KR102265599B1 - Enzyme immobilized glucose biosensor and the manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수의 전극들을 포함하는 기판 및 상기 기판의 상에 배치되는 다공성 매트릭스 층을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함하는 것인, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 바이오센서를 이용하여, 헤마토크릿 레벨에 영향 없이 혈액 내 글루코스 농도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있다.The present invention includes a substrate including a plurality of electrodes and a porous matrix layer disposed on the substrate, wherein the porous matrix layer includes a glucose oxidase-coated nanofiber, bio for glucose measurement To a sensor and a method for manufacturing the same, and by using the biosensor of the present invention, it is possible to quickly and accurately measure the concentration of glucose in blood without affecting the hematocrit level.

Description

효소 고정화된 글루코스 바이오센서 및 이의 제조방법 {Enzyme immobilized glucose biosensor and the manufacturing method thereof}Enzyme immobilized glucose biosensor and manufacturing method thereof

본 발명은 글루코스 옥시다제가 고정화된 글루코스 측정을 위한 바이오센서및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor for measuring glucose immobilized with glucose oxidase and a method for preparing the same.

현장 진단 (Point-of-care: POC) 혈액 글루코스 바이오센서는 당뇨병 신생아와 위중한 환자의 질병을 관리하기 위하여 주요한 도구로 널리 사용되어 왔다. 혈액 글루코스 미터는 안정적인 어른에게 사용할 때, 일반적으로 민감하고 정확한 결과가 요구된다. 간단하게 사용되고 비교적 저렴하지만, POC 글루코스미터에서 사용된 혈액의 양과 같은 양을 사용한 경우 샘플링 오류, 말초 순환이 좋지 않은 환자에서 헤마토크릿 레벨의 영향, 산소 강도의 변화와 같은 다양한 임상적인 상황에서 부정확한 보고가 나왔다 [Weiner et al., 1991; Louie et al., 2000; Tang et al., 2000; Tang et al., 2001]. 특히, 많은 연구들은 헤마토크릿 변동이 POC 글루코스 측정의 정확도에 중대하게 영향을 미칠 수 있다고 결론짓고 있다. 이는 혈액 중의 혈구 세포가 전극 표면에 접촉되어 전자-전극 반응이 인식되기 때문이다. 글루코스 바이오센서 능력을 개선하기 위하여, 혈구 세포의 부착을 방지하여 어쎄이 민감도가 증가될 수 있도록 효소-베이스 나노 섬유 층이 바이오센서에 사용되었다. 효소 전달체로서의 나노 섬유 멤브레인은 다른 나노 구조체 물질에 비하여, 높은 공극도, 높은 표면적 비, 상호 연결성, 편이한 전기 방사 기술을 통한 쉬운 제조와 같은 많은 이점을 갖기 때문에, 전기 방사된 나노 섬유성 멤브레인은 민감하고 빠른 분석을 요구하는 바이오센서 제조에 널리 사용되어 왔다. Point-of-care (POC) blood glucose biosensors have been widely used as a major tool to manage the disease of diabetic neonates and critically ill patients. When used in stable adults, blood glucose meters are generally required to provide sensitive and accurate results. Although simple and relatively inexpensive, reporting inaccurate in a variety of clinical situations, such as sampling errors when using the same amount of blood used in a POC glucometer, the effect of hematocrit levels in patients with poor peripheral circulation, and changes in oxygen intensity [Weiner et al., 1991; Louie et al., 2000; Tang et al., 2000; Tang et al., 2001]. In particular, many studies have concluded that hematocrit fluctuations can significantly affect the accuracy of POC glucose measurements. This is because blood cells in the blood come into contact with the electrode surface and the electron-electrode reaction is recognized. To improve the glucose biosensor capability, an enzyme-based nanofiber layer was used in the biosensor to prevent adhesion of blood cells and increase assay sensitivity. Compared to other nanostructured materials, electrospun nanofibrous membranes have many advantages, such as high porosity, high surface area ratio, interconnectivity, and easy fabrication through convenient electrospinning technology. It has been widely used in the manufacture of biosensors requiring sensitive and rapid analysis.

반 결정성 중합체 (semicrystalline polymer)인 폴리비닐알콜 (poly(vinyl alcohol): PVA)은 높은 친수성, 화학적 안정성, 낮은 독성과 좋은 생체적합성 특성으로 인하여, 혈액 투석 막, 인공 피부, 혈액 보철장치와 같은 생체 의학적으로 적용되는 하이드로겔 카테고리에서 중요한 역할을 수행하여 왔다. Poly(vinyl alcohol) (PVA), a semi-crystalline polymer, has high hydrophilicity, chemical stability, low toxicity and good biocompatibility properties, such as hemodialysis membranes, artificial skin, and blood prosthetic devices. It has played an important role in the category of biomedical applied hydrogels.

글루코스 전극에 대한 헤마토크릿의 영향을 감소시키기 위해 많은 전략들이 연구되어 왔다. Forrow et al.는 활성화 시약이 함침된 다공성 탄소 전극을 사용하여 적혈구를 제외하고자 하였으나, 분석 시간이 길었으며, 특히 높은 글루코스 농도에서는 혈액 세포 내 글루코스가 산화된다는 단점이 있었다.Many strategies have been studied to reduce the effect of hematocrit on the glucose electrode. Forrow et al. tried to exclude erythrocytes using a porous carbon electrode impregnated with an activating reagent, but the analysis time was long, and there was a disadvantage that glucose in blood cells was oxidized, especially at high glucose concentrations.

효소 글루코스 옥시다제 (glucose oxidase (GOD, EC 1.1.3.4)는 글루코스를 글루코노락톤으로 변환하여, 과산화수소로의 디옥시젠 동시 환원과 함께 자발적으로 글루코닉산으로 가수분해된다. 이러한 산화반응은 보조인자 플라빈아데닌 디뉴클레오티드 (flavinadenine dinucleotide: FAD)의 환원에 동반된다. FAD는 효소의 환원성을 담당하며, 효소의 폴리펩티드 단백질에 단단히 결합되지만 공유결합 되지는 않는다.The enzyme glucose oxidase (GOD, EC 1.1.3.4) converts glucose to gluconolactone, which is spontaneously hydrolyzed to gluconic acid with the simultaneous reduction of dioxygen to hydrogen peroxide. This oxidation reaction is a cofactor Accompanying the reduction of flavinadenine dinucleotide (FAD), FAD is responsible for the reduction of the enzyme and is tightly bound to the enzyme's polypeptide protein, but not covalently.

본 발명의 목적은, 복수의 전극들을 포함하는 기판 및 상기 기판의 상에 배치되는 다공성 매트릭스 층을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함하는 것인, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 및 이의 제조방법을 제공하여, 혈액 내 헤마토크릿 레벨에 영향 없이 글루코스 농도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 바이오센서를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention, comprising a substrate including a plurality of electrodes and a porous matrix layer disposed on the substrate, wherein the porous matrix layer comprises a glucose oxidase-coated nanofiber, glucose measurement It is an object to provide a biosensor capable of quickly and accurately measuring a glucose concentration without affecting the hematocrit level in blood by providing a biosensor and a method for manufacturing the same.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description.

본 발명의 제1 측면은, 복수의 전극들을 포함하는 기판 및 다공성 매트릭스 층을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함하는 것인 글루코스 측정을 위한 바이오센서를 제공한다.A first aspect of the present invention provides a biosensor for measuring glucose, comprising a substrate including a plurality of electrodes and a porous matrix layer, wherein the porous matrix layer comprises nanofibers coated with glucose oxidase .

일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유는 PVA/PAA로 이루어진 것이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것일 수 있다.In an embodiment, the nanofiber is made of PVA/PAA, and the molar ratio of PVA and PAA may be 2:3 to 3:2.

일 실시예에 있어서, 상기 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경은 400 내지 600 nm인 것일 수 있다.In one embodiment, the glucose oxidase-coated nanofibers may have a diameter of 400 to 600 nm.

일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것일 수 있다.In an embodiment, the porous matrix layer may have a pore diameter of 2.5 to 5.0 μm before and after the sample is added.

일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층의 두께는 10 내지 30 ㎛인 것일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the porous matrix layer may be 10 to 30㎛.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 35% 내지 60%의 헤마토크릿의 레벨의 환경에서 측정한 글루코스 농도가 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정될 수 있다.In one embodiment, in the biosensor, the glucose concentration measured in an environment of a hematocrit of 35% to 60% may be constantly measured within an error range of 5%.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서에서 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 글루코스 농도는 37.1 mg/dL 내지 544.7 mg/dL 에 포함되는 것일 수 있다.In one embodiment, the glucose concentration constantly measured within the error range of 5% in the biosensor may be included in 37.1 mg/dL to 544.7 mg/dL.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 다공성 매트릭스에 시료가 투입된 시점으로부터 1 내지 3초 내에 글루코스 농도가 측정될 수 있다.In one embodiment, the biosensor may measure the glucose concentration within 1 to 3 seconds from the time the sample is added to the porous matrix.

본 발명의 제2 측면은, 복수의 전극들을 포함하는 기판을 준비하는 단계; 친수성 고분자 용액을 준비하는 단계; 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하여, 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 제조하는 단계; 상기 다공성 매트릭스를 열처리 (가교결합공정) 하는 단계; 및 상기 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계;를 포함하는, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 제조방법을 제공한다.A second aspect of the present invention comprises the steps of: preparing a substrate including a plurality of electrodes; preparing a hydrophilic polymer solution; Electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate to prepare a porous matrix made of nanofibers; heat-treating the porous matrix (crosslinking process); and coating the porous matrix with glucose oxidase.

일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자는 PVA 및 PAA이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것일 수 있다.In an embodiment, the hydrophilic polymer may be PVA and PAA, and the molar ratio of PVA and PAA may be 2:3 to 3:2.

일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하는 단계는, 상기 친수성 고분자 용액의 농도가, 8 내지 20 wt% 이고, 상기 전기 방사의 전압이 10 내지 80kV이고, 방사속도는 5 내지 30 ml/hr이고, 및 방사 거리가 10 내지 30 cm 일 수 있다.In one embodiment, in the electrospinning of the hydrophilic polymer solution on the substrate, the concentration of the hydrophilic polymer solution is 8 to 20 wt%, the voltage of the electrospinning is 10 to 80 kV, and the spinning speed is 5 to 30 ml/hr, and the spinning distance may be 10 to 30 cm.

일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계는, 스크린포충법, 거품함침법, 스프레이법, 또는 디스펜싱법을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment, the coating of the porous matrix made of the nanofibers with glucose oxidase may be performed using a screen entrapment method, a bubble impregnation method, a spray method, or a dispensing method.

일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것일 수 있다.In an embodiment, the porous matrix layer may have a pore diameter of 2.5 to 5.0 μm before and after the sample is added.

본 발명의 바이오센서는, 효소 고정화된 나노섬유를 포함하는 다공성 매트릭스 층을 포함함으로써, 헤마토크릿 레벨에 영향 없이 혈액 내 글루코스 농도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있다.The biosensor of the present invention, by including a porous matrix layer including enzyme-immobilized nanofibers, can quickly and accurately measure the blood glucose concentration without affecting the hematocrit level.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 모식도이다.
도 2는, 서로 다른 가수분해도를 갖는 PVA로 전기방사하여 제조된 나노 섬유의 SEM 사진이다.
도 3은, 가수분해도에 따른 PVA의 직경을 나타낸 그래프이다.
도 4는, PVA/PAA의 함량에 따른 복합 나노 섬유의 SEM 사진이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 나노섬유의 가교결합을 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 산화 및 환원 반응을 나타낸 것이다.
도 7은, 종래의 바이오센서에서 수행되는 글루코스 옥시다제 코팅법을 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서를 나타낸 것이다.
도 9는, 종래의 바이오센서 및 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 표면을 각각 나타낸 사진이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것이다.
도 12는, 종래의 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서 제조방법의 순서도이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 매트릭스를 절단하여 부착하는 단계에 관한 사진이다.
1 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM photograph of nanofibers prepared by electrospinning with PVA having different degrees of hydrolysis.
3 is a graph showing the diameter of PVA according to the degree of hydrolysis.
4 is an SEM photograph of composite nanofibers according to the content of PVA/PAA.
5 shows cross-linking of nanofibers according to an embodiment of the present invention.
6 shows oxidation and reduction reactions of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
7 shows a glucose oxidase coating method performed in a conventional biosensor.
8 shows a biosensor according to an embodiment of the present invention.
9 is a photograph showing the surfaces of a conventional biosensor and a biosensor according to an embodiment of the present invention, respectively.
10 is a graph showing a current graph with respect to blood glucose concentration, measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing a current graph with respect to blood glucose concentration, measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing a glucose concentration measured according to a hematocrit level, measured by a conventional biosensor.
13 is a graph showing a glucose concentration measured according to a hematocrit level, measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention.
14 is a flowchart of a method for manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
15 is a photograph of a step of cutting and attaching a matrix of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in each figure indicate like elements.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications may be made to the embodiments described below. It should be understood that the embodiments described below are not intended to limit the embodiments, and include all modifications, equivalents or substitutes thereto.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the examples are only used to describe specific examples, and are not intended to limit the examples. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the possibility of addition or existence of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In the description of the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

혈액은 세포성분인 혈구와 액체성분인 혈장으로 분류되며, 혈구는 산소를 운반하는 적혈구, 식균작용을 하는 백혈구, 및 혈액응고에 관여하는 혈소판으로 이루어지고, 혈장은 물 90~92%, 혈장단백질 7~8%, 염류 1%로 구성되며, 그밖에 지질ㅇ당류ㅇ무기염류와 비단백질성 질소화합물로서 요소, 아미노산, 요산 등이 함유되어 있다. 글루코스를 측정하는 바이오센서는 혈액 내의 혈장에 포함된 글루코스의 농도를 측정한다. 하지만, 혈액 내 글루코스 외 다른 물질들의 방해로 인하여, 종래의 바이오센서는 글루코스의 농도 측정에 걸리는 시간이 오래 걸리거나, 측정 값이 정확하지 않을 수 있다는 문제점이 있었다.Blood is classified into blood cells, which are cellular components, and plasma, which are liquid components. Blood cells are composed of red blood cells that carry oxygen, white blood cells that perform phagocytosis, and platelets that are involved in blood coagulation. Plasma contains 90-92% water, plasma protein It is composed of 7-8% and salts 1%, and other lipids, saccharides, and inorganic salts and non-protein nitrogen compounds, including urea, amino acids, and uric acid. The biosensor for measuring glucose measures the concentration of glucose contained in plasma in the blood. However, due to the interference of substances other than glucose in the blood, the conventional biosensor has a problem that it takes a long time to measure the concentration of glucose or the measured value may not be accurate.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바이오센서는, 복수의 전극들을 포함하는 기판(100) 및 다공성 매트릭스 층(200)을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층(200)은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함한다.1 , the biosensor of the present invention includes a substrate 100 including a plurality of electrodes and a porous matrix layer 200, and the porous matrix layer 200 is a glucose oxidase-coated nanofiber. includes

상기 전극들은 전기화학적 반응을 측정하기 위한 것으로서, 전원을 인가하는 기준 전극과 작동 전극으로 구성되며, 필요에 따라서는, 분석에 필요한 시료의 양을 확인하는 한 쌍의 인식 전극을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 한 쌍의 상기 인식 전극에 시료가 확인되면, 상기 기준 전극과 상기 작용 전극에 전원을 인가하여 전기화학적 반응을 측정한다. 상기 전극의 개수와 구조는 필요에 따라 변경될 수 있다.The electrodes are for measuring an electrochemical reaction, and are composed of a reference electrode and a working electrode for applying power, and, if necessary, may further include a pair of recognition electrodes for checking the amount of the sample required for analysis. have. That is, when a sample is identified in the pair of recognition electrodes, power is applied to the reference electrode and the working electrode to measure an electrochemical reaction. The number and structure of the electrodes may be changed as necessary.

상기 다공성 매트릭스 층은, 상기 전극들을 덮을 수 있도록 전극들의 상면에 부착되어, 혈액이 바로 전극에 접촉되는 것이 아니라, 다공성 매트릭스 층을 통과한 후에 전극에 접촉될 수 있도록 한다. 혈액이 다공성 매트릭스 층을 통과하면서 글루코스 측정에 방해가 되는 헤마토크릿을 필터할 수 있다.The porous matrix layer is attached to the upper surfaces of the electrodes so as to cover the electrodes, so that blood can contact the electrodes after passing through the porous matrix layer, rather than directly contacting the electrodes. As blood passes through the porous matrix layer, it can filter hematocrit, which interferes with glucose measurement.

본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 다공성 매트릭스 층은, 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함한다. 전기방사를 통하여 제조되는 나노 섬유로 이루어진 상기 다공성 매트릭스는 전기방사 조건에 따라 공극 크기가 조절될 수 있으므로, 이를 이용하여 혈액 내 글루코스를 선택적으로 투과시킬 수 있다. 또한, 상기 다공성 매트릭스를 구성하는 나노 섬유는 글루코스 옥시다제로 코팅된 것으로서, 상기 글루코스 옥시다제는 혈액 내 글루코스와 접촉하여 산화 환원 반응을 일으키고, 본 발명의 바이오센서 전극은 이로 인한 전자의 이동과 전류를 감지하여 글루코스 농도를 측정할 수 있다. 혈액과의 접촉 면적을 크게 하기 위하여, 글루코스 옥시다제는 매트릭스를 구성하는 나노 섬유 표면에 코팅되는 형태가 바람직하다. 상기 나노 섬유 표면의 코팅층에는 글루코스 옥시다제 외에도 전자전달체 또는 계면활성제가 포함될 수 있으며, 상기 전자전달체는 루테늄(Ruthenium) 또는 페록시아나이드(ferrocyanide)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the porous matrix layer includes nanofibers coated with glucose oxidase. Since the porous matrix made of nanofibers prepared through electrospinning can have a pore size that can be adjusted according to electrospinning conditions, glucose in the blood can be selectively permeated by using the porous matrix. In addition, the nanofibers constituting the porous matrix are coated with glucose oxidase, and the glucose oxidase is in contact with glucose in the blood to cause a redox reaction, and the biosensor electrode of the present invention has the resultant electron movement and current can be detected to measure the glucose concentration. In order to increase the contact area with blood, glucose oxidase is preferably coated on the surface of the nanofiber constituting the matrix. The coating layer on the surface of the nanofiber may include an electron transporter or a surfactant in addition to glucose oxidase, and the electron transporter may be ruthenium or peroxyanide.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유는 PVA/PAA로 이루어진 것이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2 인 것일 수 있다. PVA/PAA는 친수성 고분자들로 이루어진 것으로, 종래에 주로 사용되는 고분자와는 달리 가교제 사용 없이 단순히 열만을 이용하더라도 가교결합이 가능하여 친수성 하이드로겔 특성 부여가 가능하다. 특히, 적절한 몰비에서 제조된 PVA/PAA는 최대 수분 흡수량에도 다기공성을 유지하여 수분을 머금은 상태에서도 컷 오프 기능 및 나노 스케일 특성을 유지할 수 있다는 우수성이 있어, 본 발명의 바이오센서는 PVA/PAA 로 이루어진 나노 섬유를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the nanofiber is made of PVA/PAA, and the molar ratio of PVA and PAA may be 2:3 to 3:2. PVA/PAA is made of hydrophilic polymers, and unlike polymers mainly used in the prior art, crosslinking is possible even by simply using heat without the use of a crosslinking agent, so that hydrophilic hydrogel properties can be imparted. In particular, PVA/PAA prepared at an appropriate molar ratio has superiority in that it maintains porosity even at the maximum amount of water absorption and can maintain the cut-off function and nanoscale characteristics even in a state of immersing moisture. made up of nanofibers.

한편, PVA는 폴리비닐아세테이트 (poly(vinyl acetate: PVAc)의 가수분해로부터 유도되기 때문에, PVA의 특성은 가수분해도 (degrees of hydrolysis: DH)에 영향을 받는다. 특히, 85 내지 90% 사이의 가수분해도를 갖는 PVA는, 98 내지 99.9% 사이의 가수분해도를 갖는 PVA보다 낮은 기계적 특성과 내수성을 갖지만 물에 쉽게 용해되며 전기방사능이 뛰어나다. (실시예 2 참고). 따라서, 본 발명의 바이오센서 매트릭스 층을 구성하는 나노 섬유의 직경을 작게 하여 공극을 보다 작고 촘촘하게 형성하기 위해서는, 가수분해도가 85 내지 90인 PVA를 사용하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 가수분해도 88의 PVA가 사용될 수 있다. On the other hand, since PVA is derived from the hydrolysis of poly(vinyl acetate: PVAc), the properties of PVA are affected by the degrees of hydrolysis (DH). In particular, hydrolysis between 85 and 90% PVA with a degree of decomposition has lower mechanical properties and water resistance than PVA with a degree of hydrolysis between 98 and 99.9%, but is easily soluble in water and has excellent electroradiation (see Example 2).Therefore, the biosensor matrix of the present invention In order to form pores smaller and denser by reducing the diameter of the nanofibers constituting the layer, PVA having a degree of hydrolysis of 85 to 90 is preferably used, and most preferably PVA having a degree of hydrolysis of 88 may be used.

다만, PVA/PAA는 PVA의 -OH기와 PAA의 -COOH기 사이의 에스테르 형성을 통하여 결합되는 것이므로, 수분과 접촉하여 가수분해될 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 PVA/PAA는 PVA : PAA 몰비를 2:3 내지 3:2으로 하여 전기방사 하였고, 전기방사 이후에 간단한 열처리 공정을 통해 가교 결합하여 내수성을 증가시켰다 (실시예 2 및 도 4 참고). PVA에 대한 PAA의 몰 비율이 0.25 미만이거나 0.75 초과인 경우에는, 섬유의 모폴로지가 망가지면서 다공성을 유지하기 어려우며 나노 섬유로의 기능을 제대로 수행하지 못한다는 문제점이 발생할 수 있다(실시예 2 및 도 4 참고)However, since PVA/PAA is bonded through ester formation between the -OH group of PVA and the -COOH group of PAA, there is a problem that it may be hydrolyzed in contact with moisture. In order to solve this problem, the PVA/PAA of the present invention was electrospun at a PVA:PAA molar ratio of 2:3 to 3:2, and cross-linked through a simple heat treatment process after electrospinning to increase water resistance (implementation) see Example 2 and FIG. 4). When the molar ratio of PAA to PVA is less than 0.25 or more than 0.75, the morphology of the fiber is broken, and it is difficult to maintain porosity and there may be problems that it does not perform the function as a nanofiber properly (Example 2 and FIG. 4 Note)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경은 400 내지 600 nm인 것일 수 있다. 글루코스 옥시다제가 코팅되기 전의 PVA/PAA 섬유 직경은 평균적으로 대략 300 내지 400 nm 였으나, 글루코스 옥시다제가 결정체 형태로 나노 섬유 표면에 비교적 촘촘하고 균일하게 코팅되어, 전체 직경을 대략 100 내지 200 nm 증가시킨다. 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경이 400 nm 미만인 경우에는 표면적은 높아지나 생산성이 떨어지는 문제점이 있으며, 나노 섬유의 직경이 600 nm 초과인 경우에는, 비표면적이 낮아지는 문제점이 있을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the glucose oxidase-coated nanofibers may have a diameter of 400 to 600 nm. The PVA/PAA fiber diameter before glucose oxidase coating was on average about 300 to 400 nm, but glucose oxidase was coated relatively densely and uniformly on the nanofiber surface in the form of crystals, increasing the overall diameter by about 100 to 200 nm make it When the diameter of the glucose oxidase-coated nanofibers is less than 400 nm, the surface area is increased, but there is a problem in that productivity is lowered.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층의 공극 직경은, 2.5 내지 5.0 ㎛ 인 것일 수 있다. 혈액 내의 글루코스 농도 측정에 방해가 되는 헤마토크릿을 배제하기 위하여, 상기 다공성 매트릭스의 공극은 5.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한 공극의 크기가 2.5 ㎛ 미만인 경우에는, 혈액의 투과가 원활하게 일어나지 않아 측정 시간을 지연시킬 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 다공성 매트릭스 층의 공극 직경은, 2.5 내지 3.0 ㎛ 인 것일 수 있으며, 혈액 내의 글루코스 농도 측정에 방해가 되는 헤마토크릿을 보다 완벽하게 배제하기 위하여, 상기 다공성 매트릭스의 공극은 3.0 ㎛ 이하인 것이 더 바람직할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the pore diameter of the porous matrix layer may be 2.5 to 5.0 μm. In order to exclude hematocrit, which interferes with the measurement of blood glucose concentration, the pores of the porous matrix are preferably 5.0 μm or less. In addition, when the size of the pores is less than 2.5 μm, blood permeation does not occur smoothly, and the measurement time may be delayed. More preferably, the pore diameter of the porous matrix layer may be 2.5 to 3.0 μm, and in order to more completely exclude hematocrit, which interferes with the measurement of glucose concentration in blood, the pores of the porous matrix are 3.0 μm or less. may be more preferable.

또한, 상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것일 수 있다. 즉, 혈액과 같은 시료가 상기 다공성 매트릭스 층에 투입되더라도, 본 발명의 다공성 매트릭스 층을 구성하는 나노 섬유는 내수성이 높아 가수분해되지 않으므로 섬유의 모폴로지를 거의 완벽하게 유지할 수 있다(실시예 2 및 도 4참조). 따라서 본 발명의 바이오센서는 시료가 투입된 후에도 균일한 공극의 크기를 유지하는 상기 다공성 매트릭스로 인하여, 일정하고 정확하게 글루코스 농도를 측정할 수 있다. In addition, in the porous matrix layer, the pore diameter before and after the sample is added may be maintained in a range of 2.5 to 5.0 μm. That is, even if a sample such as blood is injected into the porous matrix layer, the nanofibers constituting the porous matrix layer of the present invention have high water resistance and are not hydrolyzed, so that the morphology of the fibers can be almost completely maintained (Example 2 and FIGS. see 4). Therefore, the biosensor of the present invention can measure the glucose concentration uniformly and accurately due to the porous matrix maintaining a uniform pore size even after a sample is added.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층의 두께는 10 내지 30 ㎛인 것일 수 있다. 다공성 매트릭스 층이 30 ㎛ 초과인 경우, 다공성 매트릭스 층 내에 포집되거나 헤마토크릿과 함께 필터되는 글루코스가 발생할 수 있으므로 다공성 매트릭스 층의 두께는 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하며, 다공성 매트릭스 층이 10 ㎛ 미만인 경우, 공극을 빠져나오는 헤마토크릿이 발생할 확률이 증가하여 헤마토크릿을 배제하는 효과가 감소될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thickness of the porous matrix layer may be 10 to 30㎛. When the porous matrix layer is more than 30 μm, the thickness of the porous matrix layer is preferably 30 μm or less, because glucose may be trapped in the porous matrix layer or filtered with hematocrit. The effect of excluding hematocrit may be reduced by increasing the probability of escaping hematocrit.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 35% 내지 60%의 헤마토크릿의 레벨의 환경에서 측정한 글루코스 농도가 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정될 수 있다. 동일한 글루코스 농도를 갖는 샘플들에 헤마토크릿 농도를 다르게 한 후, 본 발명의 바이오센서로 글루코스를 측정한 결과, 헤마토크릿의 농도가 35% 내지 60%로 변화하더라도 측정되는 글루코스의 값은 일정하였다. (실시예 9 및 도 13참고)In one embodiment of the present invention, the biosensor may measure the glucose concentration measured in an environment of a hematocrit of 35% to 60% within an error range of 5%. After varying the hematocrit concentration in samples having the same glucose concentration, as a result of measuring glucose with the biosensor of the present invention, the measured glucose value was constant even when the hematocrit concentration was changed from 35% to 60%. (See Example 9 and FIG. 13)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서에서 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 글루코스 농도는 37.1 mg/dL 내지 544.7 mg/dL인 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the glucose concentration constantly measured within the error range of 5% in the biosensor may be 37.1 mg/dL to 544.7 mg/dL.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 다공성 매트릭스에 시료가 투입된 시점으로부터 1 내지 3초 내에 글루코스 농도가 측정될 수 있다. 종래의 글루코스 바이오센서들은 측정되는 글루코스 농도에 헤마토크릿으로 인한 영향을 보정하는 과정을 거치기 때문에 평균 5초 이상의 측정 시간을 요하였다. 하지만, 본 발명의 바이오센서는 보정 과정 없이 다공성 매트릭스로 헤마토크릿을 배제한 후에 글루코스 농도를 측정하므로 농도 측정에 1 내지 3초만 소요된다. In an embodiment of the present invention, the biosensor may measure the glucose concentration within 1 to 3 seconds from the time the sample is introduced into the porous matrix. Conventional glucose biosensors require an average measurement time of 5 seconds or longer because the effect of hematocrit on the measured glucose concentration is corrected. However, since the biosensor of the present invention measures the glucose concentration after excluding hematocrit with the porous matrix without a calibration process, it takes only 1 to 3 seconds to measure the concentration.

도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서 제조방법의 순서도이다.14 is a flowchart of a method for manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참고하면, 본 발명의 글루코스 측정을 위한 바이오센서 제조방법은, 복수의 전극들을 포함하는 기판을 준비하는 단계(110); 친수성 고분자 용액을 준비하는 단계(120); 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하여, 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 제조하는 단계(130); 상기 다공성 매트릭스를 열처리하는 단계(140); 및 상기 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계(150);를 포함한다.Referring to FIG. 14 , the method for manufacturing a biosensor for measuring glucose of the present invention includes preparing a substrate including a plurality of electrodes ( 110 ); Preparing a hydrophilic polymer solution (120); Electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate to prepare a porous matrix made of nanofibers (130); heat-treating the porous matrix (140); and coating the porous matrix with glucose oxidase (150).

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자는 PVA 및 PAA이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the hydrophilic polymer is PVA and PAA, and the molar ratio of PVA and PAA may be 2:3 to 3:2.

상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계 이전에, 글루코스 옥시다제를 함유한 효소 혼합물을 준비하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 효소 혼합물에는 글루코스 옥시다제 외에도 전자전달체 또는 계면활성제가 포함될 수 있다. 상기 전자전달체는 루테늄(Ruthenium) 또는 페록시아나이드(ferrocyanide)일 수 있다.Before the step of coating the porous matrix made of the nanofibers with glucose oxidase, the step of preparing an enzyme mixture containing glucose oxidase may be further included. The enzyme mixture may include an electron transporter or a surfactant in addition to glucose oxidase. The electron transporter may be ruthenium or ferrocyanide.

상기 다공성 매트릭스를 열처리하는 단계(140)는, 60 내지 200 ℃의 온도에서 10 분 내지 120 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 열처리 공정이 60 ℃ 미만에서 수행되는 경우에는 가교결합이 제대로 형성되지 않을 수 있으며, 200 ℃ 이상의 온도에서 수행되는 되는 경우에는 나노 섬유내 고분자들이 녹거나 분해될 수 있다. 또한 상기 열처리 공정이 10 분 미만 동안 수행되는 경우에는 충분한 반응이 일어나지 않아 부분적으로 가교결합이 생기지 않을 수 있으며, 120 분 이상 수행되는 경우에는 반응이 이미 충분하게 일어났기에 열처리 공정을 더 이상 수행할 필요가 없다.The heat treatment of the porous matrix 140 may be performed at a temperature of 60 to 200° C. for 10 to 120 minutes. When the heat treatment process is performed at less than 60 ℃, crosslinking may not be properly formed, and when it is carried out at a temperature of 200 ℃ or more, the polymers in the nanofiber may be melted or decomposed. In addition, when the heat treatment process is carried out for less than 10 minutes, a sufficient reaction does not occur and partial crosslinking may not occur. When the heat treatment process is performed for more than 120 minutes, the heat treatment process needs to be performed because the reaction has already sufficiently occurred. there is no

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하는 단계는, 상기 친수성 고분자 용액의 농도가, 8 내지 20 wt% 이고, 상기 전기 방사의 전압이 1 내지 80kV이고, 방사속도는 5 내지 30 ml/hr이고, 방사 거리가 10 내지 30 cm 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the electrospinning of the hydrophilic polymer solution on the substrate, the concentration of the hydrophilic polymer solution is 8 to 20 wt%, the voltage of the electrospinning is 1 to 80 kV, The spinning speed may be 5 to 30 ml/hr, and the spinning distance may be 10 to 30 cm.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계는, 스크린포충법, 거품함침법, 스프레이법, 또는 디스펜싱법을 사용하여 수행되는 것일 수 있으며, 매트릭스 코팅법으로 해당 분야에 알려진 방법이라면 제한없이 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of coating the porous matrix made of the nanofibers with glucose oxidase may be performed using a screen entrapment method, a bubble impregnation method, a spray method, or a dispensing method, Any method known in the art as a matrix coating method may be used without limitation.

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본 발명의 바이오센서 제조방법은, 상기 다공성 매트릭스를 절단하여 전극 상에 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.The biosensor manufacturing method of the present invention may further include cutting the porous matrix and attaching it to the electrode.

도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 매트릭스를 절단하여 부착하는 단계에 관한 사진이다. 도 15를 참고하면, 전기방사를 이용하여 제조되고 글루코스 옥시다제로 코팅된 다공성 매트릭스 막을 붉은 선을 따라 절단한 후에, 전극 패턴이 형성된 기판 상에 부착할 수 있다. 15 is a photograph of a step of cutting and attaching a matrix of a biosensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 15 , after the porous matrix film prepared using electrospinning and coated with glucose oxidase is cut along the red line, it can be attached to the substrate on which the electrode pattern is formed.

<실시예 1: 재료 준비><Example 1: Preparation of Materials>

센서 칩과 반응물에 대한 모든 구조적인 물질들은 상업적으로 이용 가능하다. 1,700의 중합도 (degree of polymerization: DP) 및 88%, 96%, 99.9%의 가수분해도 (degree of hydrolysis: DH)를 갖는 폴리비닐알콜 (PVA)은 Kuraray Co. Ltd., Japan로부터 제공받았다. 분자량 250kDa을 갖는 폴리아크릴산 (Poly(acrylic acid; PAA)은 Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan로부터 제공받았다. 글루코스 옥시다제 (GOD, EC 1.1.3.4,15,000-25,000 units g-1 Type II from Aspergillusniger ), 99%의 순도를 갖는 분석용 시약 염화 루테늄 (ruthenium (Ⅲ) chloride), Triton X-100 wetting agent 및 β-d-(+)-glucose는 Sigma-Aldrich로부터 구입되었다. 초순수 (DI)는 샘플, 버퍼, 및 효소 용액 제조에 사용되었고, 0.1M phosphate buffer solution (PBS)는 KH2PO4 및 K2HPO4의 혼합 용액으로 준비되었다. 준비된 용액의 pH는 7.03였다. 효소 용액은 위에서 언급한 버퍼 용액 내 용해하여 준비하였다.All structural materials for the sensor chip and reactants are commercially available. Polyvinyl alcohol (PVA) having a degree of polymerization (DP) of 1,700 and a degree of hydrolysis (DH) of 88%, 96%, 99.9% is manufactured by Kuraray Co., Ltd. Ltd., Japan. Poly(acrylic acid; PAA) having a molecular weight of 250 kDa was obtained from Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan Glucose oxidase (GOD, EC 1.1.3.4,15,000-25,000 units g- 1 Type II from Aspergillusniger ), analytical reagents with a purity of 99% ruthenium (III) chloride, Triton X-100 wetting agent and β-d-(+)-glucose were purchased from Sigma-Aldrich. Used to prepare samples, buffers, and enzyme solutions, 0.1M phosphate buffer solution (PBS) was prepared as a mixed solution of KH 2 PO 4 and K 2 HPO 4. The pH of the prepared solution was 7.03. The enzyme solution was mentioned above It was prepared by dissolving in one buffer solution.

<실시예 2: PVA 가수분해도 및 PVA/PAA 함량 비율><Example 2: PVA hydrolysis degree and PVA/PAA content ratio>

가수분해도를 각각 88%, 92%, 96%, 99.9% 갖는 PVA를 준비한 후에, 이들을 각각 동일한 조건에서 전기 방사하여 직경을 측정하였다.After preparing PVA having a degree of hydrolysis of 88%, 92%, 96%, and 99.9%, respectively, they were electrospun under the same conditions to measure the diameter.

도 2는, 서로 다른 가수분해도를 갖는 PVA로 전기방사하여 제조된 나노 섬유의 SEM 사진이다. 도 2a는 가수분해도가 88%인 PVA 나노 섬유, 도 2b는 가수분해도가 92%인 PVA 나노 섬유, 도 2c는 가수분해도가 96%인 PVA 나노 섬유, 도 2d는 가수분해도가 99.9%인 PVA 나노 섬유의 SEM 사진이다. 가수분해도가 88% 인 것이 가장 가느다란 섬유를 형성하는 것을 확인할 수 있다.2 is a SEM photograph of nanofibers prepared by electrospinning with PVA having different degrees of hydrolysis. Figure 2a is a PVA nanofiber having a degree of hydrolysis of 88%, Figure 2b is a PVA nanofiber having a degree of hydrolysis of 92%, Figure 2c is a PVA nanofiber having a degree of hydrolysis of 96%, Figure 2d is a PVA nanofiber having a degree of hydrolysis of 99.9% This is an SEM picture of the fiber. It can be seen that a hydrolysis degree of 88% forms the thinnest fiber.

도 3은, 가수분해도에 따른 PVA의 직경을 나타낸 그래프이다. 가수분해도가 88%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 190nm, 가수분해도가 92%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 200nm, 가수분해도가 96%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 220nm, 가수분해도가 99.9%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 470nm 였다.3 is a graph showing the diameter of PVA according to the degree of hydrolysis. The average diameter of PVA nanofibers with a degree of hydrolysis of 88% is 190 nm, the average diameter of PVA nanofibers with a degree of hydrolysis of 92% is 200 nm, the average diameter of PVA nanofibers with a degree of hydrolysis of 96% is 220 nm, and the degree of hydrolysis is 99.9% The average diameter of phosphorus PVA nanofibers was 470 nm.

PVA/PAA의 함량 비율에 따른 PVA/PAA 복합 나노 섬유의 가수분해 정도를 확인하였다. PVA에 대한 PAA의 몰 비율 (φPAA)이 0.25, 0.5 및 0.75 일 때 전기방사로 복합 나노 섬유를 제조한 후, 각각의 나노 섬유의 내수성 및 가수분해 정도 등을 관찰하였다.The degree of hydrolysis of PVA/PAA composite nanofibers according to the content ratio of PVA/PAA was confirmed. When the molar ratio of PAA to PVA (φPAA) was 0.25, 0.5, and 0.75, composite nanofibers were prepared by electrospinning, and then, the water resistance and hydrolysis degree of each nanofiber were observed.

도 4는, PVA/PAA의 함량에 따른 복합 나노 섬유의 SEM 사진이다. 도 4의 첫 번째 행(윗줄)의 (a)는 φPAA=0.25 인 경우의 나노 섬유이고, (b)는 φPAA=0.5 인 경우의 나노 섬유이며, (c)는 φPAA=0.75 인 경우의 나노 섬유이다. 도 4의 두 번째 행(아랫줄)의 사진은, 각각의 나노 섬유를 1시간 동안 물에 담근 후 찍은 SEM 사진이다. (a)는 φPAA=0.25 인 경우의 나노 섬유이고, (b)는 φPAA=0.5 인 경우의 나노 섬유이며, (c)는 φPAA=0.75 인 경우의 나노 섬유이다. φPAA=0.5인 경우에 가장 섬유 모폴로지가 완전하게 보존되었으며, 내수성이 좋은 것으로 확인 되었다. 4 is an SEM photograph of composite nanofibers according to the content of PVA/PAA. (a) of the first row (upper row) of FIG. 4 is a nanofiber in the case of φPAA=0.25, (b) is a nanofiber in the case of φPAA=0.5, (c) is a nanofiber in the case of φPAA=0.75 to be. The picture in the second row (bottom row) of FIG. 4 is an SEM picture taken after each nanofiber was immersed in water for 1 hour. (a) is a nanofiber in the case of φPAA=0.25, (b) is a nanofiber in the case of φPAA=0.5, and (c) is a nanofiber in the case of φPAA=0.75. In the case of φPAA=0.5, the fiber morphology was most completely preserved, and it was confirmed that the water resistance was good.

<실시예 3: PVA/PAA 교차-결합 나노 섬유의 제조><Example 3: Preparation of PVA/PAA cross-linked nanofibers>

PVA/PAA 교차-결합된 나노 섬유를 제조하기 위하여, 우선 PVA를 물에 용해하여 대략 10 중량% 농도의 전기 방사를 위한 용액을 제조한다. PVA 중합체의 용해도를 개선하기 위하여 PVA 용액은 대량 80 ℃로 가열하여 PVA 중합체에 존재할 수 있는 강한 내부 결합을 와해시킨다. 전기방사를 위한 PVA/PAA 용액은 PVA 용액에 PAA 용액을 혼합하여 제조하며, 몰비는 φPAA=0.50 이고, PVA/PAA 용액의 농도는 대략 10 wt%로 조절하였다. PVA/PAA 혼합 용액은 동일한 조건 하에서 회전하는 금속 콜렉터 상에 전기방사된다. PVA/PAA 혼합된 나노 섬유는 160 ℃ 에서 30분 열처리하여, PVA의 -OH기와 PAA의 -COOH기 사이에 에스테르가 형성되어 화학적으로 가교-결합된다.To prepare PVA/PAA cross-linked nanofibers, PVA is first dissolved in water to prepare a solution for electrospinning with a concentration of approximately 10% by weight. To improve the solubility of the PVA polymer, the PVA solution is heated to 80° C. in bulk to break the strong internal bonds that may be present in the PVA polymer. A PVA/PAA solution for electrospinning was prepared by mixing a PAA solution with a PVA solution, the molar ratio was φPAA=0.50, and the concentration of the PVA/PAA solution was adjusted to approximately 10 wt%. A PVA/PAA mixed solution is electrospun on a rotating metal collector under the same conditions. The PVA/PAA mixed nanofibers are heat-treated at 160° C. for 30 minutes, and an ester is formed between the -OH group of PVA and the -COOH group of PAA and chemically cross-linked.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 나노섬유의 가교결합을 나타낸 것이다.5 shows cross-linking of nanofibers according to an embodiment of the present invention.

<실시예 4: 글루코스 센서의 제조><Example 4: Preparation of glucose sensor>

효소 용액은 PBS의 20mL에 GOD 의 1.4g 와 전기 전달체 염화 루테늄 (ruthenium (Ⅲ) chloride) 600mg이 혼합되어 준비되었다. 효소는 물리적인 흡수 방법을 사용하여 PVA/PAA 상에 고정된다. 제조된 센서는 상온에서 24 시간 동안 건조되었으며, 측정 전 효소 안정화와 숙성을 위하여 대략 1주일 동안 보관되었다. The enzyme solution was prepared by mixing 1.4 g of GOD and 600 mg of ruthenium (III) chloride in 20 mL of PBS. Enzymes are immobilized on PVA/PAA using a physical absorption method. The prepared sensor was dried at room temperature for 24 hours, and stored for about 1 week for enzyme stabilization and maturation before measurement.

전기화학적 측정은 2개의 전극 시스템으로 구성된 센서 칩으로 평가되었으며, 전기화학적 분석기를 사용하여 수행되었다. 도입된 장치는 사이클릭 볼타미터(cyclic voltammeter), 암페로미터 (amperometer (WonATech Co., Ltd)), 및 WPCIPG software version 1.0가 포함되었다. Jaein Circuit Co., Ltd, Korea 에서 제조된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET)기판 상에 Ni/Cu 전극이 설치되었다. 모든 전기화학적 장치는 상온에서 기준 전극으로 Cu/Ni 및 Cu/Ni/Pt, AgCl, 카본전극를 사용하는 0.1 M 포스파이트 버퍼 용액 (PBS, pH 7.03) 0.25L 함유 셀(cell)에서 수행되었다.Electrochemical measurements were evaluated with a sensor chip consisting of a two-electrode system and performed using an electrochemical analyzer. The devices introduced included a cyclic voltammeter, an amperometer (WonATech Co., Ltd), and WPCIPG software version 1.0. A Ni/Cu electrode was installed on a polyethylene terephthalate (PET) substrate manufactured by Jaein Circuit Co., Ltd, Korea. All electrochemical devices were performed in a cell containing 0.25 L of 0.1 M phosphite buffer solution (PBS, pH 7.03) using Cu/Ni, Cu/Ni/Pt, AgCl, and carbon electrodes as reference electrodes at room temperature.

<실시예 5: Cu/Ni 전극><Example 5: Cu/Ni electrode>

Cu/Ni 전극은 100㎛ 두께의 PET 기판 상에 20 ㎛ 두께의 구리 필름을 라미네이트하는 열처리를 사용하여 제조되었다. 그런 다음, 자외선 (UV) 광민감성 건조 필름이 라미네이팅 방법으로 부착되었다. 리버스포토마스트 (reverse photo mask)가 UV 노출과 습식 에칭에 의하여 구리 전극 패턴을 형성하는데 사용되었다. 구리 전극은 금속성이고 물로 처리되지 않지만, 공기 중의 산소가 구리 금속 상에 구리 산화물 층을 형성하도록 상온에서 천천히 반응할 것이다. 구리 전극은 이어지는 순차적으로 니켈의 무전해 도금이 이어진다. Cu/Ni electrodes were fabricated using a heat treatment to laminate a 20 μm thick copper film on a 100 μm thick PET substrate. Then, an ultraviolet (UV) photosensitive dry film was attached by a laminating method. A reverse photo mask was used to form the copper electrode pattern by UV exposure and wet etching. The copper electrode is metallic and not treated with water, but the oxygen in the air will react slowly at room temperature to form a copper oxide layer on the copper metal. The copper electrode is followed sequentially by electroless plating of nickel.

<실시예 6: 측정 방법><Example 6: Measurement method>

SEM 이미지는 5 kV의 가속 전압에서 Hitachi S4800 스캐닝 전자 현미경으로 측정되었다. 샘플들은 Pt로 코팅하였다. 섬유 직경은 이미지 J 소프트웨어를 사용하여 측정되었다. 각각의 샘플에 대하여, 섬유 직경은 50 배로 측정하여 평균을 구하였다. 전기 화학적 실험들은 IM6ex electrochemical workstation (Zahner, Germany) 상에서 3개-전극 시스템으로 수행되었다. 사이크릭 볼타메트릭 측정 (cyclic voltammetric measurements)이 교반되지 않은 전기화학적 셀 내에서 수행되었다. SEM images were measured with a Hitachi S4800 scanning electron microscope at an accelerating voltage of 5 kV. Samples were coated with Pt. Fiber diameters were measured using Image J software. For each sample, the fiber diameter was measured at a factor of 50 and averaged. Electrochemical experiments were performed with a three-electrode system on an IM6ex electrochemical workstation (Zahner, Germany). Cyclic voltammetric measurements were performed in an unagitated electrochemical cell.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 산화 및 환원 반응을 나타낸 것이다.6 shows oxidation and reduction reactions of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

전기화학적 바이오센서를 사용한 전혈 내 글루코스 정량 측정은 혈액의 한 방울이 테스트 스트립의 상면과 측면에 도입될 때 시작한다. 반응에 의하여 생성되는 전자는 전류를 생성한다. 전류는 글루코스 산화가 일어나는 동안에 생성되는 전자에 의하여 발생된다. 전류는 전체-혈액 샘플 내 글루코스 농도를 측정하기 위하여 계량된다. 전체-혈액 내 글루코스 농도를 YSI 2300 (Yellow Springs Instrument Inc., Yellow Springs, OH) 표준혈당측정기를 통하여 확인하였다. YSI 표준혈당분석기는 글루코스 옥시다제를 사용하여 2개의 글루코스 채널로 중복으로(in duplicate) 글루코스 농도를 측정하는데 사용된다. 선형성은 0 내지 1000 mg/dL이다. YSI 분석기는 매 15분 마다 간격으로 또는 5번 측정 이후에 자가-계량한다. 각각의 혈액 샘플의 헤마토크릿 레벨은 마이크로-모세관 원심분리기 (micro-capillary centrifuge (Model MB, International Equipment Company, Needham Heights, MA))로 5분 동안 10,000 rpm으로 샘플을 원심분리하여 측정되었다.Quantitative measurement of glucose in whole blood using an electrochemical biosensor starts when a drop of blood is introduced into the top and side surfaces of the test strip. The electrons produced by the reaction create an electric current. An electric current is generated by electrons produced during glucose oxidation. The current is metered to measure the glucose concentration in the whole-blood sample. Whole-blood glucose concentration was checked using a YSI 2300 (Yellow Springs Instrument Inc., Yellow Springs, OH) standard glucometer. A YSI standard glucose analyzer is used to measure glucose concentrations in duplicate with two glucose channels using glucose oxidase. Linearity ranges from 0 to 1000 mg/dL. The YSI analyzer self-weighs at intervals of every 15 minutes or after 5 measurements. The hematocrit level of each blood sample was measured by centrifuging the sample at 10,000 rpm for 5 minutes with a micro-capillary centrifuge (Model MB, International Equipment Company, Needham Heights, Mass.).

<실시예 7: GOD를 포함하는 PVA/PAA 교차-결합된 나노 섬유의 모폴로지><Example 7: Morphology of PVA/PAA cross-linked nanofibers containing GOD>

용해를 방지하기 위하여, PVA/PAA 복합 나노 섬유는 열처리 방법을 사용하여 성공적으로 제조되었다. PVA의 수산화 기와 PAA의 카르복실기 사이의 에스테르 결합 형성을 통한 화학적으로 가교 결합된 네트워크의 형성은 고체 상태에서의 13C-NMR 스펙트럼과 FT-IR의 분석을 통하여 명확하게 증명되었다.To prevent dissolution, PVA/PAA composite nanofibers were successfully prepared using the heat treatment method. The formation of a chemically crosslinked network through the formation of an ester bond between the hydroxyl group of PVA and the carboxyl group of PAA was clearly demonstrated through the analysis of 13 C-NMR spectrum and FT-IR in the solid state.

두 종류의 샘플 (Cu/Ni 전극 상에 직접적으로 GOD 용액을 디스펜싱한 샘플, 및 전기 방사된 PVA/PAA 나노 섬유 막을 GOD 용액으로 코팅한 샘플)을 제조하여, PVA/PAA 나노 섬유 막의 헤마토크릿 영향을 평가하였다. By preparing two types of samples (the sample in which the GOD solution was directly dispensed on the Cu/Ni electrode, and the sample in which the electrospun PVA/PAA nanofiber membrane was coated with the GOD solution), the hematocrit effect of the PVA/PAA nanofiber membrane was evaluated.

도 7은 종래의 바이오센서에서 수행되는 글루코스 옥시다제 코팅법을 나타낸 것이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서를 나타낸 것이다. 7 shows a glucose oxidase coating method performed in a conventional biosensor, and FIG. 8 shows a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 9는, 종래의 바이오센서 및 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 표면을 각각 나타낸 사진이다. 9 is a photograph showing the surfaces of a conventional biosensor and a biosensor according to an embodiment of the present invention, respectively.

도 9의 (a) 및 (b)는, 종래의 방법에 따라, 글루코스 옥시다제 복합체를 PET 필름에 플라즈마 처리한 경우의 SEM 이미지 사진으로서, GOD가 PET 필름 상에 크고 비-균일한 클러스터로 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 도 9의 (c) 및 (d)는, PVA/PAA 가교-결합된 복합체 나노 섬유를 글루코스 옥시다제 용액에 담그어 코팅한 후, 진공에서 건조된 이후의 SEM 이미지를 나타낸다. 9 (a) and (b) are SEM images of a case in which a glucose oxidase complex is plasma-treated on a PET film according to a conventional method, wherein GOD aggregates into large, non-uniform clusters on the PET film. could confirm that it had been On the other hand, (c) and (d) of FIG. 9 show SEM images after coating the PVA/PAA cross-linked composite nanofibers by dipping them in a glucose oxidase solution, and then drying in a vacuum.

도 9의 (c)를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따라, PVA/PAA 나노 섬유 막을 GOD 균등용액에 담그어 코팅한 경우에는, GOD 가 PVA/PAA 나노 섬유 상에 비교적 균일하게 증착되는 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 섬유 직경은 GOD 용액으로 처리한 이후에 대략 350 ± 40 nm 에서 510 ± 50 nm 로 증가되었으며, GOD는 PVA/PAA 나노 섬유 상에 균일하게 형성되어 있는 것이 관찰되었다. 보다 더 고해상도의 SEM 사진(도 9 (d))에서, PVA/PAA 나노 섬유 상에 형성된 GOD 입자는 구조체 내에서 나노 결정체로서 나노 섬유 표면 상에 비교적 고르게 상당히 증착되어 있는 것을 확인하였다. GOD 입자들은 PVA/PAA 나노 섬유 상에 증착되어, 전체 직경을 대략 100-150 ± 20 nm 증가시켰으며, 응집되지 않고 고르게 PVA/PAA 나노 섬유 상에 성공적으로 고정화 되었다.Referring to FIG. 9(c), according to an embodiment of the present invention, when the PVA/PAA nanofiber film is coated by dipping it in a GOD equivalent solution, the GOD is relatively uniformly deposited on the PVA/PAA nanofiber. could confirm that In addition, the fiber diameter was increased from approximately 350 ± 40 nm to 510 ± 50 nm after treatment with the GOD solution, and it was observed that GOD was uniformly formed on the PVA/PAA nanofibers. In the higher-resolution SEM photograph (FIG. 9 (d)), it was confirmed that the GOD particles formed on the PVA/PAA nanofibers were relatively evenly deposited on the nanofiber surface as nanocrystals within the structure. GOD particles were deposited on PVA/PAA nanofibers, increasing the overall diameter by approximately 100-150 ± 20 nm, and were successfully immobilized on PVA/PAA nanofibers without agglomeration.

<실시예 8: PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유의 전기화학적 능력><Example 8: Electrochemical ability of PVA/PAA-GOD coated nanofibers>

PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 구조체의 Cu/Ni에 대한 전기화학적 반응은 사이클릭 볼타메트리 (cyclic voltammetry)를 사용하여 확인하였다. The electrochemical reaction of the PVA/PAA-GOD-coated nanostructures with respect to Cu/Ni was confirmed using cyclic voltammetry.

도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것이다. 도 10은, Cu/Ni/PET 필름 상의 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 구조체 층의 사이클릭 볼탐 반응이 낮은 전기적 저항도 (0.01 Ω 이하)이며, 이는 균일한 전기적 저항을 갖는 바이오센서 전극을 대량 생산하는 것이 가능하다는 것을 시사한다. 센서의 낮은 전기적 저항도는, 높은 저항도 전극보다 환원 피크가 더 빠르게 발생하기 때문에 이점이 있다. 10 is a graph showing a current graph with respect to blood glucose concentration, measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention. 10 is a low electrical resistivity (0.01 Ω or less) of the cyclic voltam response of the PVA/PAA-GOD-coated nanostructure layer on the Cu/Ni/PET film, which is a biosensor electrode having a uniform electrical resistance. suggests that it is possible to produce The low electrical resistivity of the sensor is advantageous because reduction peaks occur more rapidly than with high resistivity electrodes.

PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유 글루코스 바이오센서의 재현도(reproducibility)가 평가되었다. 바이오센서는 암페로미터 방법 (amperometric method)을 사용하여 테스트되었다. The reproducibility of the PVA/PAA-GOD coated nanofiber glucose biosensor was evaluated. The biosensor was tested using the amperometric method.

도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것으로, 각각의 전혈 글루코스 농도에서 반응 전류의 변화를 보여준다. 도 11을 참고하면, Cu/Ni 전극 상의 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유는, 0.9924의 선형 상관 계수 (R 2)를 갖고 3 이하의 일정한 전류를 나타내었다. 도 11에서 관찰되는 값은, Cu/Ni 전극 글루코스 바이오센서 상에서 1회용 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유를 10번 반복하여 측정되었고, 결과적으로 일회용 Cu/Ni 전극 글루코스 바이오센서는 선형성과 상당한 재현성을 나타내었다. PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유 Cu/Ni 전극에 있어서, 전체 비 선형 오류는 2.15% 였다(coefficient of variation (CV, %) = standard deviation/arithmetic average ㅧ 100). ISO 15197 [ISO 15197 First edition, 2003]에 따르면, 임상적인 적용을 위하여 혈액 글루코스 센서에 허용되는 생산 기준은 비 선형 오류 비율이 7% 이내 이다.11 is a graph showing a current graph with respect to a blood glucose concentration measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention, and shows a change in the reaction current at each whole blood glucose concentration. Referring to FIG. 11 , the PVA/PAA-GOD-coated nanofibers on the Cu/Ni electrode had a linear correlation coefficient ( R 2 ) of 0.9924 and showed a constant current of 3 or less. The values observed in FIG. 11 were measured in 10 repetitions of disposable PVA/PAA-GOD-coated nanofibers on a Cu/Ni electrode glucose biosensor. As a result, the disposable Cu/Ni electrode glucose biosensor exhibited linearity and significant reproducibility. was shown. For the PVA/PAA-GOD coated nanofiber Cu/Ni electrode, the overall nonlinear error was 2.15% (coefficient of variation (CV, %) = standard deviation/arithmetic average Ⅷ 100). According to ISO 15197 [ISO 15197 First edition, 2003], an acceptable production criterion for a blood glucose sensor for clinical application is a non-linear error rate within 7%.

325와 450 mg/dL 글루코스 농도를 갖는 전혈 샘플이 0.1 Vs-1의 스캔 속도로 본 발명의 바이오센서를 사용하여 측정되었다. 볼탐 프로필은 Cu/Ni 산화 및 환원 피크 (라벨된)에 따른 특징적인 수소 흡수/탈착 곡선을 보이며, 이는 Cu/Ni 전극 상에 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유가 존재하는 것을 확인시켜준다. 글루코스는 염화 루테늄의 전기 화학적 변형에 의하여 산화되었다. 염화 루테늄은 산화 조건 하에서 지속적으로 전극에 의하여 재생성되었다. 반응 전류의 크기는 글루코스 농도에 의존한다. 반응 전류는 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유에 혈액 샘플이 주입된 이후에 전체-혈액 글루코스 농도에서 실행되는 CV 결과 (대략 +0.065 V)로부터 얻어졌다. Cu/Ni/PET 필름 상의 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유는 매우 낮은 전기 저항도를 갖는 바이오센서 전극을 형성하였다. 탄소 전극은 Cu/Ni 전극 (대략 0.01Ω)보다 더 높은 전기 저항도 (대략 80Ω~1kΩ ± 5~10%) 를 갖고, 높은 적용 전압 (대략 0.2 ~ 0.7 V)을 요구하기 때문에, 탄소 전극 상의 효소 반응은 안정 상태 (steady state) 에 도달하기까지 더 긴 반응 시간을 요구한다. 이에 비하여, PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유 Cu/Ni 전극은 3초 이내에 안정 상태에 도달한다. Whole blood samples with 325 and 450 mg/dL glucose concentrations were measured using the biosensor of the present invention at a scan rate of 0.1 Vs −1 . The voltam profile shows characteristic hydrogen absorption/desorption curves according to Cu/Ni oxidation and reduction peaks (labeled), confirming the presence of PVA/PAA-GOD-coated nanofibers on Cu/Ni electrodes. Glucose was oxidized by electrochemical transformation of ruthenium chloride. Ruthenium chloride was continuously regenerated by the electrode under oxidizing conditions. The magnitude of the reaction current depends on the glucose concentration. Reaction currents were obtained from CV results (approximately +0.065 V) run at whole-blood glucose concentrations after blood samples were injected into PVA/PAA-GOD coated nanofibers. PVA/PAA-GOD coated nanofibers on Cu/Ni/PET films formed biosensor electrodes with very low electrical resistivity. Since the carbon electrode has a higher electrical resistivity (approximately 80 Ω to 1 kΩ ± 5 to 10%) than the Cu/Ni electrode (approximately 0.01 Ω) and requires a high applied voltage (approximately 0.2 to 0.7 V), the Enzymatic reactions require longer reaction times to reach a steady state. In comparison, the PVA/PAA-GOD coated nanofiber Cu/Ni electrode reaches a stable state within 3 seconds.

<실시예 9: PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유의 헤마토크릿 영향><Example 9: Hematocrit effect of PVA/PAA-GOD coated nanofibers>

매우 민감한 글루코스 바이오센서에 있어서, 사이즈-배제 원리에 기초한 혈장-함유 글루코스의 분리가 효율적이다. 인간 혈액 내에서 적혈구는 6 내지 9 μm 의 직경과 1.8 내지 2.8 μm의 두께를 가지며, 백혈구는 6 내지 10 μm 이상의 직경을 갖는다. 따라서, 약 5 μm의 컷-오프 사이즈를 갖는 구조는 대부분의 백혈구와 적혈구를 막아내는 대신, 혈장 내의 글루코스는 허용할 수 있다. 본 발명의 나노 섬유는 전기 방사의 조건을 제어하여 공극의 크기를 조절할 수 있으므로, 혈구에 영향을 받지 않고 글루코스에 높은 민감도를 갖는다. For highly sensitive glucose biosensors, separation of plasma-containing glucose based on the size-exclusion principle is efficient. In human blood, red blood cells have a diameter of 6 to 9 μm and a thickness of 1.8 to 2.8 μm, and white blood cells have a diameter of 6 to 10 μm or more. Thus, a structure with a cut-off size of about 5 μm can tolerate glucose in the plasma, instead of blocking most of the white blood cells and red blood cells. Since the nanofiber of the present invention can control the size of the pores by controlling the conditions of electrospinning, it is not affected by blood cells and has high sensitivity to glucose.

헤마토크릿 효과에 대하여, 본 발명의 바이오센서는 헤마토크릿 농도 (35, 42, 50, 60%)에 따른 글루코스 농도 변화 (140, 230 및 309 mg/dL)를 측정하였다. Regarding the hematocrit effect, the biosensor of the present invention measured changes in the glucose concentration (140, 230, and 309 mg/dL) according to the hematocrit concentration (35, 42, 50, 60%).

도 12는, 종래의 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이고, 도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이다. 도 12 및 도 13은, 헤마토크릿의 레벨 35 % 내지 60 %에서, 37.1 mg/dL (2.06 mmol/L) 내지 544.7 mg/dL (30.24 mmol/L) 범위의 글루코스 농도를 측정한 결과 그래프이다.12 is a graph showing the glucose concentration measured according to the hematocrit level, measured by the conventional biosensor, and FIG. 13 is the glucose measured according to the hematocrit level, measured by the biosensor according to an embodiment of the present invention. Concentration graph is shown. 12 and 13 are graphs of measurement results of glucose concentrations ranging from 37.1 mg/dL (2.06 mmol/L) to 544.7 mg/dL (30.24 mmol/L) at a hematocrit level of 35% to 60%.

도 12를 참고하면, 헤마토크릿 비율이 증가함에 따라, 적혈구와 백혈구가 전극 표면에 부착되기 때문에, 글루코스 바이오센서의 전류는 감소되었다. Cottrell 방적식에 따라, Referring to FIG. 12 , as the hematocrit ratio increased, the current of the glucose biosensor decreased because red blood cells and white blood cells were attached to the electrode surface. According to the Cottrell equation,

I = (nFAD1/2C) / (πt)1/2 I = (nFAD 1/2 C) / (πt) 1/2

(여기에서, I = 전류, n = 반응에서 이동하는 전자의 수 (for Ruthenium chloride, n=1), F = 패러데이 상수 (전자 1몰의 전하량= 96,485 Coulombs/mol), A = 전극 면적(cm2), D = 확산 계수, C = 반응 농도(mol/cm3), t = 시간(seconds)), 효율적인 전극 표면의 환원은 낮은 전류 값을 유도한다. (where I = current, n = number of electrons moving in the reaction (for ruthenium chloride, n = 1), F = Faraday constant (charge of 1 mole of electron = 96,485 Coulombs/mol), A = electrode area (cm) 2 ), D = diffusion coefficient, C = reaction concentration (mol/cm 3 ), t = time (seconds)), efficient reduction of the electrode surface leads to low current values.

하지만, 도 13을 참고하면, 같은 조건에서 실험된 본 발명의 바이오센서 전류는 헤마토크릿 레벨에 영향을 받지 않기 때문에 글루코스 농도가 오차 범위 5% 이내에서 변화하였다. 섬유에 의하여 적혈구 및 백혈구가 완전하게 차단되었기 때문에 전류가 안정하게 유지되었기 때문이다.However, referring to FIG. 13 , since the biosensor current of the present invention tested under the same conditions was not affected by the hematocrit level, the glucose concentration was changed within the error range of 5%. This is because the current was kept stable because the red blood cells and white blood cells were completely blocked by the fibers.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, even if the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form from the described method, or replaced or substituted by other components or equivalents Appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (13)

복수의 전극들을 포함하는 기판; 및
다공성 매트릭스 층;을 포함하고,
상기 다공성 매트릭스 층은, 글루코스 옥시다제가 코팅된 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA)/폴리아크릴산(Poly(acrylic acid; PAA) 나노 섬유를 포함하며, 상기 나노 섬유의 PVA 및 PAA몰 비가 2:3 내지 3:2인 것 인, 글루코스 측정을 위한 바이오센서.
a substrate including a plurality of electrodes; and
a porous matrix layer;
The porous matrix layer includes glucose oxidase-coated polyvinyl alcohol (PVA)/polyacrylic acid (PAA) nanofibers, and the PVA and PAA molar ratio of the nanofibers is 2:3 to 3:2, which is a biosensor for glucose measurement.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경은 400 내지 600 nm인, 바이오센서.
According to claim 1,
The glucose oxidase-coated nanofiber has a diameter of 400 to 600 nm, a biosensor.
제1항에 있어서,
상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것인, 바이오센서.
According to claim 1,
In the porous matrix layer, the pore diameter before and after adding the sample is maintained at 2.5 to 5.0 μm, the biosensor.
제1항에 있어서,
상기 다공성 매트릭스 층의 두께는 10 내지 30 ㎛인, 바이오센서.
According to claim 1,
The thickness of the porous matrix layer is 10 to 30 ㎛, biosensor.
제1항에 있어서,
상기 바이오센서는, 35% 내지 60%의 헤마토크릿의 레벨의 환경에서 측정한 글루코스 농도가 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 것인, 바이오센서.
According to claim 1,
In the biosensor, the glucose concentration measured in an environment of a hematocrit level of 35% to 60% is constantly measured within an error range of 5%, the biosensor.
제6항에 있어서,
상기 바이오센서에서 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 글루코스 농도는, 37.1 mg/dL 내지 544.7 mg/dL인, 바이오센서.
7. The method of claim 6,
The glucose concentration, which is constantly measured within an error range of 5% in the biosensor, is 37.1 mg/dL to 544.7 mg/dL, the biosensor.
제1항에 있어서,
상기 바이오센서는, 상기 다공성 매트릭스에 시료가 투입된 시점으로부터 1 내지 3초에 글루코스 농도가 측정되는 것인, 바이오센서.
According to claim 1,
The biosensor, the biosensor, wherein the glucose concentration is measured in 1 to 3 seconds from the time the sample is introduced into the porous matrix.
복수의 전극들을 포함하는 기판을 준비하는 단계;
폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVA) 및 폴리아크릴산(Poly(acrylic acid; PAA)의 몰 비가 2:3 내지 3:2인 친수성 고분자 용액을 준비하는 단계;
상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하여, 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 제조하는 단계;
상기 다공성 매트릭스를 열처리하는 단계; 및
상기 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계;를 포함하는, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 제조방법.
preparing a substrate including a plurality of electrodes;
Preparing a hydrophilic polymer solution having a molar ratio of 2:3 to 3:2 of polyvinyl alcohol (PVA) and polyacrylic acid (PAA);
Electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate to prepare a porous matrix made of nanofibers;
heat-treating the porous matrix; and
Coating the porous matrix with glucose oxidase; comprising, a biosensor manufacturing method for glucose measurement.
삭제delete 제9항에 있어서,
상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하는 단계는,
상기 친수성 고분자 용액의 농도가, 8 내지 20 wt% 이고,
상기 전기 방사의 전압이 1 내지 80kV이고,
방사속도는 5 내지 30 ml/hr 이고, 및
방사 거리가 10 내지 30 cm 인, 바이오센서 제조방법.
10. The method of claim 9,
The step of electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate,
The concentration of the hydrophilic polymer solution is 8 to 20 wt%,
The voltage of the electrospinning is 1 to 80 kV,
The spinning rate is 5 to 30 ml/hr, and
The radiation distance is 10 to 30 cm, the biosensor manufacturing method.
제9항에 있어서,
상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계는,
스크린포충법, 거품함침법, 스프레이법, 또는 디스펜싱법을 사용하여 수행되는 것인, 바이오센서 제조방법.
10. The method of claim 9,
The step of coating the porous matrix made of the nanofibers with glucose oxidase,
A method for manufacturing a biosensor, which is performed using a screen trapping method, a bubble impregnation method, a spray method, or a dispensing method.
제9항에 있어서,
상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것인, 바이오센서 제조방법.
10. The method of claim 9,
In the porous matrix layer, the pore diameter before and after the sample is added is maintained at 2.5 to 5.0 μm, the biosensor manufacturing method.
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